黄明华教授课题组在氧电催化研究领域取得重要进展

shanbian

近期，材料科学与工程学院黄明华课题组在氧电催化材料领域取得重要进展，相关研究论文以“Spin State Modulation on Dual Fe Center by Adjacent Ni Sites Enabling the Boosted Activities and Ultra-long Stability in Zn-air Batteries（近邻Ni位点对双Fe中心电子自旋态调制实现增强的催化活性和锌空气电池超长稳定性）”和“Amorphization Engineering of Bimetallic Metal-Organic Frameworks to Identify Volcano-Type Trend Toward Oxygen Evolution Reaction（双金属有机骨架的非晶化工程识别火山型析氧反应趋势）”为题分别在国际顶尖综合类期刊Science Bulletin和材料类期刊Advanced Functional Materials等发表。
        能源转换利用效率的提高是实现国家“双碳”目标的战略需求。为此，清洁高效能源转化技术越来越引起人们广泛关注，包括电解水、燃料电池和金属空气电池等。氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）等氧电催化反应由于其复杂的多电子反应步骤和较高的能量势垒，限制了能量转换和储存效率。为此，亟需寻求低成本高活性的氧电催化材料，以提升能源转化效率。然而，对于目前应用广泛的贵金属纳米催化材料（如Pt/C、RuO2），其价格昂贵，储量有限以及稳定性较差等问题制约了相关能源技术的商业化进程。

图1. 近邻NiN4单原子位点对于Fe2N5双原子位点自旋态调制的理论计算与实验结果图

         针对上述问题，黄明华教授课题组与中国科学院青岛生物能源与过程研究所、南方科技大学、青岛大学等单位合作，在氮掺杂空心碳球上构建了近邻NiN4单原子位点和Fe2N5双原子位点共存的ORR电催化剂（Fe/Ni-NHCS）。理论计算和磁性测试结果均表明，近邻NiN4位点的引入对优化Fe2N5位点的电子自旋态，降低含氧中间体吸附和转化能垒起到关键作用，从而使得Fe/Ni-NHCS具有出色的ORR催化活性和极低的副产物HO2-产率。由Fe/Ni-NHCS作为空气阴极驱动的锌空气电池展现出超过1200小时的长时间可充放电循环稳定性（Sci. Bull., 2023, 68, 2042-2053）。同时，课题组设计了一系列Ni/Co离子与对苯二甲酸（H2BDC）配位的双金属有机骨架MOFs（NixCoy-BDC）电催化OER材料，通过改变Ni/Co比例可以很容易实现其非晶结构，以此作为研究结构-活性关系(SAR)的模型催化剂。结果表明在OER过程中含氧中间体吸附强度（DGOH*/O*/OOH*）和非晶MOFs催化OER活性之间存在火山型关系，d带中心模型进一步证明了这种相关性。其中，OER活性可以通过Ni/Co原子的3d轨道与反应中间体(OH*，O*和OOH*)的O 2p轨道之间的耦合来调控，位于火山顶附近的非晶Ni8Co2-BDC具有接近最佳的含氧相关中间体结合能，表现出显著的催化OER活性和长期稳定性。本工作为非晶态MOF基催化剂的定量活性与结构的关系提供了新的见解，强调了催化活性与中间体吸附能相互作用关系的科学理解，为设计高性能非晶MOFs基催化剂开辟了新的途径（Adv. Funct. Mater., 2023, 202304380）。
       文章来源：中国海洋大学